Выбар структуры акумулятара для сцэнарыяў высокай хуткасці зараду і разраду: штабеліраванне або намотка?

Заснаваная ў 2002 годзе, кампанія спецыялізуецца на вытворчасці абсталявання для сувязі і інтэграцыі сістэм захоўвання энергіі, а таксама з'яўляецца надзейным партнёрам чатырох буйных тэлекамунікацыйных аператараў Кітая.

Калі сістэма назапашвання энергіі павінна адначасова забяспечваць высокую выходную магутнасць, рэакцыю на мілісекундным узроўні і доўгатэрміновую стабільную працу, канструкцыя акумулятара больш не з'яўляецца проста пытаннем вытворчага працэсу. Замест гэтага яна становіцца асноўным параметрам сістэмы, які вызначае кантроль унутранага супраціўлення, эфектыўнасць рэгулявання тэмпературы і тэрмін службы. Асабліва ў сцэнарах зарадкі/разрадкі 3°C–10°C і вышэй, унутраная структура ячэйкі непасрэдна ўплывае на размеркаванне супраціўлення, электрахімічную палярызацыю, шляхі цеплавой дыфузіі і кіраванне механічнымі напружаннямі.

Для інжынераў, якія займаюцца выбарам сістэм назапашвання энергіі, разуменне фундаментальных адрозненняў паміж шматслаёвыя літыевыя батарэі і раневыя клеткі ва ўмовах высокай хуткасці эксплуатацыі мае важнае значэнне для дасягнення надзейнай канструкцыі сістэмы.

У гэтым артыкуле сістэматычна аналізуюцца тэхнічныя характарыстыкі розных акумулятарныя канструкцыі у высокахуткасных прыкладаннях з розных пунктаў гледжання, у тым ліку з пункту гледжання шляху току, электрахімічнага імпедансу, тэрмадынамічных уласцівасцей, структурных напружанняў і сумяшчальнасці з сістэмнай інтэграцыяй. У ім таксама даследуецца іх практычная інжынерная каштоўнасць у распрацоўцы рэальных прадуктаў для захоўвання энергіі.

1. Механізмы электрахімічна-структурнай сувязі ва ўмовах высокай хуткасці

Пры нізкіх хуткасцях току (≤1C) страта напружання акумулятара ў асноўным звязана з унутраным супраціўленнем матэрыялаў і супраціўленнем іённага транспарту электраліта, у той час як уплыў структурных адрозненняў адносна абмежаваны.
Аднак, як толькі стаўка перавышае 3C, омічны супраціў (Rₒ), супраціўленне пераносу зарада (Rct), і канцэнтрацыйная палярызацыя хутка ўзрастаюць, і пачынае ўзнікаць праблема нераўнамернага размеркавання току ўнутры ячэйкі.

Напружанне на клемах акумулятара можна выразіць як:

дзе Rₒ цесна карэлюе з даўжынёй шляху току ў токазборніку электрода.

У структуры з наматаным пласцінкам ток перадаецца ўздоўж даўжыні электроднага ліста, што прыводзіць да адносна доўгага шляху пераносу электронаў. У адрозненне ад гэтага, шматслаёвая структура выкарыстоўвае некалькі паралельна злучаных выступаў для падзелу току, што дазваляе яму праходзіць праз электроды ў напрамку таўшчыні, значна скарачаючы адлегласць пераносу электронаў. Пры імпульсным разрадзе з высокай хуткасцю гэтая розніца ў шляху току непасрэдна адлюстроўваецца на падзенні напружання і інтэнсіўнасці цеплавыдзялення.

Інжынерныя выпрабаванні часта паказваюць, што пры павелічэнні хуткасці разраду з 1C ў 5C,
Крывая павышэння тэмпературы раненых клетак мае прыкметна больш круты нахіл, чым крывая для складзеных клетак, што сведчыць пра
больш выяўленая канцэнтрацыя ўнутранай шчыльнасці току. Гэты эфект канцэнтрацыі ўплывае не толькі на імгненнае
эфектыўнасць, але таксама паскарае дэградацыю плёнкі SEI, тым самым скарачаючы тэрмін службы.

2. Тэхнічныя характарыстыкі і абмежаванні высокай хуткасці структуры раны

Працэс намоткі з'яўляецца найбольш развітым тэхналагічным шляхам у прамысловасці літыевых акумулятараў і асабліва падыходзіць для цыліндрычных элементаў і некаторых прызматычных элементаў. Яго асноўная асаблівасць заключаецца ў тым, што катод, сепаратар і анод бесперапынна намотваюцца ў паслядоўнасці... катод-сепаратар-анод-сепаратар каб сфармаваць структуру жэле-рулета.

Гэтая канструкцыя прапануе некалькі пераваг, у тым ліку высокая эфектыўнасць вытворчасці, дасканалае абсталяванне, кантраляваны кошт і добрая кансістэнцыя.

Аднак пры высокіх хуткасцях нагрузкі ранавыя канструкцыі сутыкаюцца з некалькімі фізічнымі абмежаваннямі, якіх цяжка пазбегнуць.

Па-першае, дызайн з адной або абмежаванай колькасцю ўкладак можа прывесці да канцэнтрацыі току. Калі праз ячэйку праходзіць высокі ток, ён, як правіла, працякае пераважна праз вобласці паблізу кантактных кантактаў, ствараючы лакальныя гарачыя кропкі.

Па-другое, прысутнасць цэнтральнае полае ядро памяншае аб'ёмнае выкарыстанне, абмяжоўваючы магчымасці для далейшага паляпшэння шчыльнасці энергіі.

Па-трэцяе, падчас працэсу намоткі ўзнікае выгінанне электродных лістоў рэшткавае механічнае напружанне, што павялічвае верагоднасць асыпання актыўнага матэрыялу падчас частых цыклаў з высокай хуткасцю.

Нягледзячы на ​​тое, што тэхналогіі шматступенчатай намоткі і папярэдняга выгібу могуць вырашыць некаторыя з гэтых праблем, уласцівая ёй структура ўсё яшчэ прыводзіць да адносна доўгіх шляхоў пераносу электронаў і ўскладняе значнае зніжэнне ўнутранага супраціўлення. Таму ў выпадках, калі галоўнай мэтай з'яўляецца высокая хуткасць працы, матавыя структуры паступова саступаюць месца шматслаёвым структурам.

3. Структурныя перавагі і фізічная аснова шматслаёвых літыевых акумулятараў

Літыевыя батарэі, што складаюцца з некалькіх элементаў вырабляюцца шляхам пластовага нанясення катодаў, сепаратараў і анодаў паасобку. Іх асноўныя перавагі заключаюцца ў наступным: аптымізаваныя шляхі току і больш раўнамернае размеркаванне напружання.

Па-першае, з пункту гледжання размеркавання току, шматслаёвыя структуры звычайна выкарыстоўваюць некалькі ўкладак паралельна, што дазваляе больш раўнамерна размеркаваць ток па плоскасці электрода. Ток праходзіць праз пласты электрода ў напрамку таўшчыні, значна скарачаючы шлях і тым самым зніжаючы омічнае супраціўленне. У вышэйзгаданых сцэнарыях разраду 5C, атрыманае паляпшэнне падзення напружання становіцца асабліва прыкметным.

Па-другое, з пункту гледжання цеплавога кіравання, шматслаёвае размяшчэнне шматслаёвай структуры дазваляе больш раўнамерна выпрацоўваць цяпло, адначасова ліквідуючы зону назапашвання цяпла, выкліканую полым стрыжнем у ячэйках раны. Гэта больш раўнамернае размеркаванне цяпла зніжае рызыку лакальнага перагрэву і забяспечвае больш спрыяльную аснову цеплавога поля для праектавання сістэм вадкаснага або паветранага астуджэння на ўзроўні модуляў.

Па-трэцяе, што тычыцца механічнай стабільнасці, шматслаёвыя канструкцыі пазбягаюць выгібу электродаў і забяспечваюць больш раўнамернае размеркаванне напружання.
Падчас цыклічнай працы з высокай хуткасцю частата пашырэння і сціскання электродаў павялічваецца. Шматслаёвая канструкцыя можа знізіць рызыку дэфармацыі сепаратара і мікракароткіх замыканняў, выкліканых канцэнтрацыяй напружанняў. Эксперыментальныя дадзеныя паказваюць, што пры аднолькавай матэрыяльнай сістэме шматслаёвыя ячэйкі звычайна дэманструюць узровень захавання магутнасцей больш чым на 10% вышэйшы чым клеткі раны пры цыклічных выпрабаваннях з высокай частатой.

4. Значнасць шчыльнасці энергіі і выкарыстання прасторы на сістэмным узроўні

Пры праектаванні сістэм назапашвання энергіі шчыльнасць энергіі ўплывае не толькі на параметры асобнай ячэйкі, але і на агульную канструкцыю корпуса і эканоміку праекта. Цэнтральная полая аснова матавых ячэек непазбежна зніжае выкарыстанне аб'ёму, у той час як шматслаёвыя структуры паляпшаюць эфектыўнасць запаўнення прасторы за кошт плоскага слаення.

Як тэорыя, так і практычнае прымяненне паказваюць, што шматслаёвыя канструкцыі могуць дасягнуць прыблізна На 5%–10% вышэйшая аб'ёмная шчыльнасць энергіі.

Для камерцыйных і прамысловых сістэм захоўвання энергіі гэта паляпшэнне азначае:

• Вышэйшы кВт.гадз/м³
• Больш кампактны дызайн шафы для захоўвання
• Меншыя патрабаванні да прасторы ў памяшканні для абсталявання
• Лепшая структура выдаткаў на транспарціроўку і мантаж

Калі маштаб сістэмы дасягне Узровень МВт·г, паляпшэнне выкарыстання прасторы, абумоўленае структурнымі адрозненнямі, можа ператварыцца ў значныя перавагі ў выдатках на інжынерыю.

5. Тэхнічныя праблемы працэсу штабелявання і галіновыя тэндэнцыі

Працэс штабелявання патрабуе высокай дакладнасці абсталявання, мае адносна больш павольны час вытворчасці, чым намотка, і патрабуе большых пачатковых інвестыцый у абсталяванне. Аднак з развіццём высакахуткасныя штабелеўныя машыны, сістэмы візуальнага выраўноўвання і інтэграванае абсталяванне для рэзкі і штабелявання, яго эфектыўнасць значна палепшылася. Некаторае перадавое абсталяванне ўжо наблізіла эфектыўнасць штабелявання да эфектыўнасці працэсаў намоткі.

Акрамя таго, з'яўленне тэхналогія сухіх электродаў і гібрыдныя інтэграваныя тэхналогіі стэка і ветравой энергіі дазваляе шматслаёвым канструкцыям падтрымліваць перавагі ў прадукцыйнасці, паступова скарачаючы разрыў у кошце.

Будучая канкурэнцыя будзе не проста пытаннем штабелявання супраць намотвання, а хутчэй пошукам аптымальнага балансу паміж эфектыўнасць і прадукцыйнасць вытворчасці.

6. Ад клетачнай структуры да інтэграцыі інжынерыі на сістэмным узроўні

У сістэмах захоўвання энергіі выбар структуры ячэйкі павінен разглядацца ў адпаведнасці з праектаваннем сістэмы.

Нізкасупраціўныя шматслаёвыя ячэйкі лепш працуюць у сцэнарах паралельнага пашырэння, забяспечваючы лепшую стабільнасць напружання і спрашчаючы працу BMS. Ацэнка SOC і кіраванне балансаваннемАдначасова, іх характарыстыкі размеркавання цяпла лепш падыходзяць для хуткай зарадкі/разрадкі магутных інвертарных сістэм.

У нашай канструкцыі модульнай сістэмы захоўвання энергіі мы выкарыстоўваем рашэнне з літый-іённымі акумулятарам, якое можна штабеліраваць якая спалучае высокапрадукцыйныя структуры ячэек з інтэлектуальнай сістэмай кіравання акумулятарнымі батарэямі (BMS) для дасягнення гнуткага пашырэння ёмістасці і стабільнай высокай хуткасці выхаду. Сістэма падтрымлівае хуткую зарадку і разрадку, мае працяглы тэрмін службы і нізкія эксплуатацыйныя выдаткі, а таксама падыходзіць для камерцыйныя і прамысловыя назапашвальнікі энергіі, інтэграцыя фотаэлектрычных сістэм назапашвання энергіі і рэзервовае харчаванне высокай магутнасці.

Модульная канструкцыя не толькі зніжае пачатковыя інвестыцыі, але і робіць пашырэнне магутнасцей больш зручным у будучыні.

7. Логіка інжынерных рашэнняў для выбару канструкцыі

У інжынернай практыцы выбар канструкцыі павінен быць усебакова ацэнены зыходзячы з наступных паказчыкаў:

• Калі заяўка ў першую чаргу нізкая стаўка і адчувальнасць да выдаткаў, структура раны прапануе перавагі сталасці і эканамічнай эфектыўнасці.
• Калі сістэма патрабуе частыя імпульсы высокага току, магчымасць хуткай зарадкі/разрадкі або працяглы тэрмін службы, шматслаёвая канструкцыя прапануе больш моцныя тэхнічныя перавагі.
• Калі праект працягваецца высокая шчыльнасць магутнасці і больш кампактная канструкцыя, шматслаёвая канструкцыя лепшая як з пункту гледжання выкарыстання прасторы, так і з пункту гледжання цеплавога кіравання.

Сутнасць высокахуткасных прыкладанняў заключаецца ў тым, прыярытэт магутнасці, а не прыярытэт магутнасці.
Калі мэта сістэмы змяняецца ад простага назапашвання энергіі да падтрымкі магутнасці і дынамічнага рэагавання, выбар структура батарэі павінен рухацца ў бок меншага ўнутранага супраціву і большай аднастайнасці.

Структура — гэта канкурэнтаздольнасць у эпоху высокіх ставак

З яго карацейшыя шляхі току, больш раўнамернае размеркаванне цяпла і лепшая механічная стабільнасць, шматслойная літыевая батарэя усё шырэй ужываецца ў высокахуткасных прыкладаннях.

Для кампаній, якія плануюць сістэмы захоўвання энергіі або мадэрнізуюць сваю прадукцыю, выбар правільнай структуры акумулятара — гэта не толькі тэхнічнае пытанне, але і пытанне доўгатэрміновай надзейнасці і прыбытковасці інвестыцый у праект.